高中化学竞赛原子结构和元素周期律

高中化学竞赛原子结构和元素周期律课件第1页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系21━2微观粒子的波粒二象性一、光和实物粒子的波粒二象性

1924年德国物理学家

LdeBroglie(德布罗意)提出假设：既然光是一种微粒又是一种波，那么静止质量不为零的实物粒子也含有相似的二象性

1927年C.J.Pavisson(戴维逊)和L.H.Germer(盖末尔)获得一种晶体的电子衍射图，从实验上证实了deBroglie的假设，从此科学家们开始接受实物粒子的二象性。

第2页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系3感光屏幕薄晶体片衍射环纹电子枪电子束

电子衍射实验示意图用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。第3页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系4结论：1.电子等实物粒子具有波粒二象性；

2.不能用经典物理的波和粒的概念来理解它的行为。再次说明描述电子等微粒的运动规律只能用描述微粒运动规律的量子力学。第4页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系5

二、测不准原理和几率概念测不准原理：一个粒子的位置和动量不能同时地、准确地测定。注意：这里所讨论的不确定性并不涉及所用的测量仪器的不完整性，它们是内在固有的不可测定性。△x≥h/2πm×△v第5页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系61━3波函数和原子轨道薛定谔方程波函数和原子轨道

一定的波函数表示电子的一种运动状态，状态——轨道。

波函数叫做原子轨道，即波函数与原子轨道是同义词。第6页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系7波函数的意义原子核外电子的一种运动状态每一个波函数都有对应的能量E波函数ψ没有明确的直观的物理意义,但波函数绝对值的平方|ψ|2却有明确的物理意义第7页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系81—6四个量子数量子

数

物

理

意

义取

值

范

围主量子数n描述电子离核远近及能量高低n=1,2,3,…正整数角量子数l描述原子轨道的形状及能量的高低l=0,1,2,…小于n的正整数磁量子数m描述原子轨道在空间的伸展方向自旋量子数ms描述电子的自旋方向ms=+1/2,-1/22－m=0,+1,-1,+2,,

…±l第8页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系9主量子数（n）角量子数（l）磁量子数（m）轨道符号轨道数1001s12002s110，＋1，-12p3

3003s110，＋1，-13p320，＋1，-1，＋2，-23d5

4

004s110，＋1，-14p320，＋1，-1，＋2，-24d530，＋1，-1，＋2，-2，＋3，-34f7

5005s110，＋1，-15p320，＋1，-1，＋2，-25d530，＋1，-1，＋2，-2，＋3，-35f7

40，＋1，-1，＋2，-2，＋3，-3,+4,-45g9第9页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系10第10页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系11多电子原子近似能级图的特点：

近似能级图是按原子轨道的能量高低而不是按原子轨道离核的远近顺序排列起来。把能量相近的能级划为一组，称为能级

1s第一能级组

2s2p第二能级组

3s3p第三能级组

4s3d4p第四能级组

5s4d5p第五能级组

6s4f5d6p第六能级组

7s5f6d7p第七能级组在能级图中可以看到：相邻的两个能级组之间的能量差较大，而在同一能级组中各能级的能量差较小。第11页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系12在能级图中:所谓等价轨道是指其能量相同、成键能力相同，只是空间取向不同的轨道。角量子数l相同的能级，其能量由主量子数n决定，n越大，能量越高。主量子数n相同，角量子数l不同的能级，其能量随l的增大而升高。主量子数n和角量子数l同时变化时，从图中可知，能级的能量变化情况是比较复杂的。

第12页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系13核外电子层结构的原则能量最低原理堡里不相容原理（奥地利科学家）洪特（Hund）规则（德国科学家）第13页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系14能量最低原理

多电子原子在基态时，核外电子总是尽可能分布到能量最低的轨道，这称为能量最低原理。

第14页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系15堡里不相容原理

一个电子的四个量子数为（3、2、0、-1/2）另一个电子的四个量子数为（3、2、0、+1/2）从保里原理可获得以下几个重要结论：a)每一种运动状态的电子只能有一个。b)由于每一个原子轨道包括两种运动状态，所以每一个原子轨道中最多只能容纳两个自旋不同的电子。c)因为s、p、d、f各分层中原子轨道数为1、3、5、7所以各分层中相应最多只能容纳2、6、10、14个电子。d)每个电子层原子轨道的总数为n²

个，因此，各电子层中电子的最大容量为2n²个。第15页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系16洪特（Hund）规则

电子分布到能量相同的等价轨道时，总是尽先以自旋相同的方向，单独占领能量相同的轨道。

例:

7N2p2s1s

第16页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系17作为洪特规则的特例，等价轨道：全充满p6、d10、f14

半充满p3、d5、f7

全空p0、d0、f0

的结构状态比较稳定例：19号K1s22s22p63s23p64s1

原子实结构式为[Ar]4s124号Cr[Ar]3d54s1第17页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系18原子的电子层

注意几个例外:24号Cr3d54s129号Cu3d104s140号Zr4d25s241号Nb4d45s1

42号Mo4d55s143号Tc4d55s2

44号Ru4d75s145号Rh4d85s1

46号Pd4d10第18页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系19原子的电子层结构

与元素的分区

第19页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系20核外电子的排布（原子的电子层结构）1 HHydrogen 氢 1s1

*2HeHelium 氦 1s2

3LiLithium锂 1s22s14 BeBeryllium 铍 1s22s2

5 B Boron 硼 1s22s22p1**6 C Carbon 碳 1s22s22p27 N Nitrogen 氮 1s22s22p38 O Oxygen 氧 1s22s22p49 F Fluorine 氟 1s22s22p510 Ne Neon 氖 1s22s22p6原子序数电子轨道图元素符号

英文名称中文名称电子结构式第20页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系2111 Na Sodium钠 1s22s22p63s112 Mg Magnesium镁1s22s22p63s213 Al Aluminium铝1s22s22p63s23p114 Si Silicon 硅1s22s22p63s23p215P Phosphorus磷1s22s22p63s23p316Si Sulfur 硫1s22s22p63s23p417 Cl Chlorine 氯1s22s22p63s23p518Ar Argon 氩1s22s22p63s23p6原子序数元素符号英文名称中文名称电子结构式第21页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系22

*[Ar]原子实，表示Ar的电子结构式1s22s22p63s23p6。原子实后面是价层电子，即在化学反应中可能发生变化的电子。

**

虽先排4s后排3d，但电子结构式中先写3d，后写4s

**21 Sc Scandium 钪 [Ar]3d14s222 Ti Titanium钛 [Ar]3d24s223 V Vanadium钒 [Ar]3d34s2

24

Cr Chromium铬[Ar]3d54s1

25 MnManganese锰[Ar]3d54s226 Fe Iron铁 [Ar]

3d64s227 Co Cobalt 钴[Ar]

3d74s228 Ni Nickel 镍 [Ar]

3d84s2

*19 K Potassium 钾[Ar]4s120 Ca Calcium 钙 [Ar]4s2

第22页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系231元素的周期

周期的划分与能级组的划分完全一致，每个能级组都独自对应一个周期。共有七个能级组，所以共有七个周期。HHe1

第一周期：2种元素第一能级组：2个电子1个能级1s1个轨道BeLiBCNOFNe2

第二周期：8种元素第二能级组：8个电子2个能级2s2p4个轨道(2)元素周期系第23页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系24MgNaAlSiPSClAr3

第三周期：8种元素第三能级组：8个电子2个能级3s3p4个轨道KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr4YZrNbMoTcRhPdRuAgCdSrRbInSnSbTeIXe5

第五周期：18种元素第五能级组：18个电子3个能级5s4d5p9个轨道

第四周期：18种元素第四能级组：18个电子3个能级4s3d4p9个轨道第24页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系25

第七周期：32种元素第七能级组：32个电子4个能级7s5f6d7p16个轨道BaCs6sCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu4fLaHfTaWReIrPtOsAuHg5dTlPbBiPoAtRn6p

第六周期：32种元素第六能级组：32个电子4个能级6s4f5d6p16个轨道RaFr7sThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr5fAcRfDbSgBhHsMtUunUuuUub6d7p第25页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系26原子的电子层结构

与周期的关系

各周期元素的数目＝相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总数＝2、8、8、18、18、32p区从左上到右下的对角线为B、Si、As、Te、At，在此诸元素的右上方位是非金属，左下方位金属，对角线上及附近的元素是准金属，有些具有半导体的性质，周期表中约4/5的元素是金属。第26页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系27原子的电子层结构

与族的关系

主族元素的族数（包括ds区）＝该元素原子的最外层电子数＝该族元素的最高化合价（除氧、氟外）副族元素的族数=最高能级组中的电子总数或副族数＝（s+d）电子数－10

第27页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系28副族元素的氧化态均能呈现多种第28页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系29元素周期系的发展前景第29页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系30第三部分

元素基本性质的周期性原子半径电离能

元素的电负性

电子亲合势

第30页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系313—1原子半径A.共价半径——同种元素的两个原子共价单键连接时，核间距的一半。一般单键半径>双键半径>叁键半径B.金属半径——紧密堆积的金属晶体中以金属键结合的同种原子核间距离的一半。同一原子的金属半径要大于共价半径10～15%。C.范德华半径——非键和原子之间只靠分子间的作用力互相接近时，两原子的核间距的一半。一般范德华半径最大（非键合），共价半径最小（轨道重叠），金属半径位中间（紧密堆积）第31页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系32原子半径在周期中的变化在短周期中，从左往右随着核电荷数的增加，原子核对外层电子的吸引作用也相应地增强，使原子半径逐渐缩小。在长周期中，自左向右原子半径缩小程度不大。周期系中各相邻元素原子半径减少的平均幅度为：非过渡金属（～0.1pm）＞过渡元素（～0.05pm）＞内过渡元素（＜0.01pm）第32页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系33

（1）原子半径在周期表中的变化

只有当d5，d10，f7，f14半充满和全充满时，层中电子的对称性较高，这时②占主导地位，原子半径

r增大。

①核电荷数Z增大，对电子吸引力增大，使得原子半径r有减小的趋势。②核外电子数增加，电子之间排斥力增大，使得原子半径

r有增大的趋势。

以①为主。即同周期中从左向右原子半径减小。

(a)同周期中从左向右，在原子序数增加的过程中，有两个因素在影响原子半径的变化这是一对矛盾，以哪方面为主？第33页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系34

短周期的主族元素，以第3周期为例MgNaAlSiPSClArr/pm15413611811711010499154

长周期的过渡元素，以第4周期的第一过渡系列为例ScTiVCrMnFeCoNiCuZnSc——Ni，8个元素，r减少了29pm。相邻元素之间，平均减少幅度4pm许。Na——Cl，7个元素，r减少了55pm。相邻元素之间，平均减少幅度10pm许。

Ar为范德华半径，所以比较大。r/pm144132122118117117116115117125第34页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系35

短周期主族元素，电子填加到外层轨道，对核的正电荷中和少，有效核电荷Z*增加得多。所以r减小的幅度大。

长周期过渡元素，电子填加到次外层轨道，对核的正电荷中和多，Z*增加得少，所以r减小的幅度小。

短周期主族元素原子半径平均减少幅度10pm，长周期的过渡元素平均减少幅度4pm。造成这种不同的原因是什么？Cu，Zn为d10

结构，电子斥力大，所以r不但没减小，反而有所增加。ScTiVCrMnFeCoNiCuZnr/pm144132122118117117116115117125

试设想超长周期的内过渡元素，会是怎样的情况。第35页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系36

(c)同族中同族中，从上到下，有两种因素影响原子半径的变化趋势①核电荷Z增加许多，对电子吸引力增大，使r减小；②核外电子增多，增加一个电子层，使r增大。

主族元素Li123pmNa154pmK203pmRb216pmCs235pmr增大

在这一对矛盾中，②起主导作用。同族中，从上到下，原子半径增大。第36页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系37副族元素

TiVCrr/pm132122118ZrNbMo145134130HfTaW144134130

第二过渡系列比第一过渡系列原子半径r增大12－13pm。

第三过渡系列和第二过渡系列原子半径

r相近或相等。这是镧系收缩的影响结果。

第37页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系38原子半径在族中变化

在同一主族中，从上到下，随着核电荷数增加，元素原子的电子层数增多，原子半径增大。副族元素的元素半径变化不明显，特别是第五、六周期的元素的原子半径非常相近。这主要是由于镧系收缩所造成的结果。第38页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系39离子半径

在离子晶体中，正负离子间的吸引作用和排斥作用达平衡时，使正、负离子间保持着一定的平衡距离，这个距离叫核间距，结晶学上常以符号d表示。

离子半径大致有如下的变化规律：在周期表各主族元素中，由于自上而下电子层依次增多，所以具有相同电荷数的同族离子的半径依次增大。

例如Li+<Na+<K+<Rb+<Cs+

F－<Cl－<Br－<I－

第39页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系40在同一周期中主族元素随着族数递增，正离子的电荷数增大，离子半径依次减小。

例如Na+>Mg2+>Al3+

若同一元素能形成几种不同电荷的正离子时，则高价离子的半径小于低价离子的半径。

例如rFe3+(60pm)＜rFe2+(75pm)负离子的半径较大，正离子的半径较小。周期表中处于相邻族的左上方和右上方斜对角线上的正离子半径近似相等。

例如Li＋(60pm)～Mg2＋(65pm)

Sc3＋(81pm)～Zr4＋(80pm)

Na+(95pm)～Ca2+(99pm)第40页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系413—2电离能定义：从气态的基态原子中移去一个电子所需的最低能量，用焓的改变量来表示

从气态的一价正离子中移去一个电子的焓的改变量

元素的第一电离势越小，表示它越容易失去电子，即该元素的金属性越强。

第41页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系42第42页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系43影响因素原子核电荷——（同一周期）即电子层数相同，核电荷数越多、半径越小、核对外层电子引力越大、越不易失去电子，电离势越大。原子半径——（同族元素）原子半径越大、原子核对外层电子的引力越小，越容易失去电子，电离势越小。电子层结构——稳定的8电子结构（同周期末层）电离势最大。第43页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系44变化规律

同一主族元素，从上向下，随着原子半径的增大，元素的第一电离势依次减小。在同一周期中元素的第一电离势从左到右总趋势上依次增大，金属性减弱。第44页，共53页，2023年，2月20日，星期四原子结构与元素周期系453—3电子亲合势电子亲合能

电子亲合能(Y)是指气态的基态原子获得一个电子成为一